Способ получения поликристаллического алмазсодержащего материала

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА , включающий размещение слоя прокаленного порошка алмаза между слоями порошка кремния и последующее спекание при 1400-1700°С и высоком давлении, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости материала, предварительно порошок алмаза смешивают с 0,5 5 мас. добавки из группы; бор, хром, марганец, титан, металл группы железа или сплав на их основе и воздействуют при спекании давлением 70 120 кбаро

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s C 01 B 31/06

»з» ь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Н АВТОРСКОМУ СВЦДЕТЕЛЬСТВУ (21:) 3224064/26 (22) 18,1,1 .80 (46) 30, 06. 93. Бюл, Г 24 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (72) В.И.Вепринцев, А.В.Колчин, 6,В,Продувалов, Л.И.Клячко, Н.И.Кириллин, В.Ц.Хажуев, A.С,Дышеков и А.С.Кушхабиев (56) Патент СЦА 1 3819814, кл. 423446, 1974.

Патент СЫА Г 4151686, кл. В 24 D 3/04, 1979.

Изобретение относится к производству синтетических сверхтвердых материалов на основе алмаза, которые могут быть использованы для оснащения буровых коронок и других инструментов, работающих в тяжелых условиях абразивного износа °

Известен способ получения поликристаллического алмазосодержащего материала, включающий смешение алмазного порошка с одной или несколькими добавками, выбранными из группы: кремний, хром, титан, железо, никель, кобальт, бор и др., взятых в количестве 6-50 мас,4 с последующим спеканием смеси при 1400;-.3400 С и давлении

30-100 кбар.

Недостатком способа является повышенное содержание металлических примесей, которые снижают износостойкость поликристаллического материала

„„. ) U „„961281 А1 (54)(57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛИАЗСОДЕРИАЦЕГО МАТЕРИАЛА, включающий размещение слоя прокаленного порошка алмаза между слоями порошка кремния и последующее спекание при 1400-1700 С и высоком давлении, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости материала, предварительно порошок алмаза смешивают с 0,55 мас.0 добавки из группы: бор, хром, марганец, титан, металл группы железа или сплав на их основе и воздействуют при спекании давлением 70120 кбар. при работе в условиях абразивного износа и нагрева, например при бурении горных пород, Наиболее близким является способ получения поликристаллического алмазосодержащего материала, включающий размещение прокаленного алмазного порошка между слоями порошка кремния и последующее спекание при давлении

35-55 кбар и температуре 1400-1700 С, Недостатком указанного способа является невысокая износостойкость материала из-за частичной графитизации алмазных зерен при спекании в указаннсм интервале давлений, Целью изобретения является повышение износостойкости поликристаллического алмазосодержащего материала. Поставленная цель достигается тем, что смешивают прокаленный алмазный порошок с 0,5-5 мас,4 добавки из

961281 группы: бор, хром, марганец, титан, металл группы железа или сплав на их основе, размещают между слоями порошка кремния и воздействуют при спе- 5 кании давлением 70-120 кбар при 14001700 С.

При высоких давлениях кремний вызывает появление трещин на алмазных зернах, что снижает качество получае- 10 мого материала. Введение указанных добавок предохраняет алмазные зерна от разрушающего действия кремния и тем самым повышает износостойкость материала,. 15

При содержании добавок менее

0,5 мас,4 снижается прочность материала,. а при содержании добавок выше

5 мас.ь снижается его износостойкость. Спекание шихты на основе ал- gp мазного порошка при 1400-1700 С и давлениях ниже 70 кбар приводит к частичной графитизации алмазных частиц в материале, что обуславливает снижение износостойкости. При спека- 25 нии шихты в области давлений выше

120 кбар износостойкость материала не увеличивается и процесс становит. ся экономически невыгодным из-за по» вышенного расхода твердого сплава 30 на спекание.

В связи:с различным объемом пор в алмазосодержащем материале в зависимости от гранулометрического состава алмазов количество исходного кремния в слоях заведомо берется с избытком (8-154 от массы шихты), чтобы гарантировать при спекании пропитку всей массы материала, При смешении с алмазами кремний препятствует спеканию алмазных частиц.

Пример 1, Алмазные порошки с размером зерен 3-14 мкм прокаливают на воздухе при 1000 С в течение

10 мин для удаления влаги, летучих 45 органических примесей и активации поверхности, Прокаленные алмазные порошки смешивают с порошком хрома (зернистостью менее 1 мкм), взятого в количестве 0,5 мас.3 алмазов. flo" БО лученную шихту помещают между слоями порошка кремния в трубчатом нагревателе камеры высокого давления, Смесь спекают при 1400 С и давлении

120 кбар в течение 3,5 с.

Полученный спек отделяют 0Т нагре- 55 вателя и избыточного количества кремния механическим методом, Поликристаллический алмазный материал представляет собой "скелет" из сросшихся алмазных зерен со связью алмаз-алмаз, пространство между которыми заполнено карбидом кремния, кремнием, карбидами и силицидами.хрома и других металлов, присутствующих в качестве примесей в алмазных порошках.

Состав материала, мас.3:

Кремний и карбид кремния 10

Металлы и их карбицы и силициды 1,6, Алмаз Остальное

Прочность поликристаллического алмазосодержащего материала на сжатие, определенная по методике ГОСТ 9206-80 составляла 600 кг/мм2, микротвердость - 9500 кг/мм2. При бурении горных пород инструментом, оснащенным полученным материалом пробурено

1,07 м, при норме по ГОСТ 9206-801 м.

Пример 2, Также, каки в примере 1 приготавливают шихту с содержанием 5 мас,4 хрома. Смесь спекают при 1700 С и 70 кбар эа 1,5 с.

Состав материала, мас.3:

Кремний и карбид кремния 9

Металлы и их карбиды и силициды 6,1

Алмаз Остальное

Прочность материала на сжатие

950 кгlмм2, микротвердость 8300 кг/мм2, Коронкой из полученного материала пробурено 1,6 и скважины.

Пример 3. Так же, как и в примере 1, приготавливают шихту с содержанием сплава СНГМ (хром 16-183, бор 2,5-33, железо до 2,54, кремний

3,5-43, углерод 0,74 и никель — остальное) в количестве 24 от массы алмазного порошка, Смесь спекают при

1550 С и 90 кбар в течение 1 с. Буровой коронкой пробурено 2,23 м скважины.

Пример 4, По примеру 1 приготавливают шихту с 2,5 ь кобальта, размером частиц до 1 мкм. Смесь спекают при 1700 С и 100 кбар за 3, 5 с, Буровой коронкой пробурено 2 м скважины. о

Пример 5. По примеру 1 приготавливают смесь с содержанием

2,5 мас.3 бора зернистостью 0,10,5 мкм. Смесь спекают при 1500 С и

80 кбар эа 2 с, Буровой коронкой пробурено 1 95 м скважины.

Пример 6. По примеру 1 приготавливают смесь алмазов с 3 мас.Ф

961281

Таблица

Время ис» пытания, мин

Износ образца

Способ иэготовле- Давление на ния образца образец, КГ/СМ

« мм3

Предлагаемый (пример 1) P =

= 90 кбар

4,5-6,0

4.5-6,0

0 3

37 11,0

Прототип

Из твердого спла- . ва ВК6

824 55,0

2,0-3 .0

Составитель

Редактор О.Филиппова Техред И.Иоргентал

Корректор С.Юско

Заказ 2827 Тираж 4.02 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101

5 марганца, пихту спекают при 80 кбар и 1600 С эа 2 с, Буровой коронкой пробурено 1,8 м скважины, Пример 7. По примеру 1 приготавливают смесь алмазов с 4 мас.ь титана. Шихту спекают при 90 кбар и

1600 С в течение 1,5 с . Буровой коронкой пробурено 1,85 м скважины.

В таблице приведены сравнительные 1р испытания полученного композиционного материала по предложенному способу (йример 1) и по прототипу. Испытания проводились по методике ТУ 4819-224-80 путем истирания образцов по блоку абразивных кру1-ов из зеленого карбида кремния.

Режимы испытаний:

Скорость вращения абразивного блока - 190 об/мин.

Удельное давление на образец4,5-6,0 кг/смэ.

Величина продольной подачи за

1 оборот - 0,2 мм.

Время испытания - 10 мин, Как следует из таблицы, материал, полученный по предлагаемому способу по износостойкости более, чем в

30 раз превосходит известный. Благодаря высокой износостойкости материала возможно его использовать при бурении абразивных и других крепких r.о" род.